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第二講:筆記本電腦電源適配器設(shè)計(jì)實(shí)例

發(fā)布時(shí)間:2011-12-14 來源:CNT Networks

中心議題:
  • 探析筆記本電腦電源適配器要求
  • NCP1250/1 關(guān)鍵特性及功能解析
解決方案:
  • 采用NCP1250設(shè)計(jì)65W適配器示例

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筆記本電腦的應(yīng)用非常廣泛,且市場規(guī)模持續(xù)快速增長。相應(yīng)地,筆記本電腦電源適配器的市場也非??捎^。用戶往往要求高性能、小尺寸或低重量的筆記本,同時(shí)價(jià)格適宜。對于電源適配器設(shè)計(jì)人員而言,就要選擇適合的控制器,用于開發(fā)高能效、集成豐富保護(hù)特性、尺寸小巧的適配器。

安森美半導(dǎo)體的 NCP1250/NCP1251 固定頻率 6 引腳脈寬調(diào)制(PWM)反激控制器,極佳地滿足設(shè)計(jì)人員的需求,使他們能夠開發(fā)高性能、高功率密度的電源轉(zhuǎn)換器,用于筆記本/上網(wǎng)本電源適配器,并可用于消費(fèi)類產(chǎn)品應(yīng)用,如平板電視輔助電源、DVD  或機(jī)頂盒(STB)低功率開放式電源等。

一、筆記本電腦電源適配器要求

從大多數(shù)用戶的使用情況來看,筆記本電腦有相當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)會(huì)處在輕載或待機(jī)條件下。與提高 25%、50%、75%或 100%負(fù)載條件下的能效相比,降低極低負(fù)載條件甚至是待機(jī)條件下的能耗及提升能效更具挑戰(zhàn)性。這就要求電源控制器具備極佳的輕載或待機(jī)能耗性能。

此外,用于筆記本的 AC-DC 適配器也要求具備以下幾種保護(hù)特性:
???短路保護(hù)(SCP):必須能夠承受輸出持續(xù)短路而不會(huì)損壞。當(dāng)故障消失時(shí),適配器必須能夠從保護(hù)模式下恢復(fù),并重新提供額定功率。
???過壓保護(hù)(OVP):在環(huán)路被破壞的情況下,如 光耦合器損壞或  TL431  分壓網(wǎng)絡(luò)受到影響,適配器必須立即停止工作,并在用戶重新啟動(dòng)適配器前保持在此狀態(tài)。
???過溫保護(hù)(OTP):如果適配器的溫度超過某個(gè)溫度值,適配器就存在損壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免出現(xiàn)這種情況,就需要使用熱傳感器來持續(xù)監(jiān)測溫度,并在溫度超過設(shè)計(jì)人員設(shè)定的限制值的情況下,適配器就持續(xù)關(guān)閉。當(dāng)用戶重新啟動(dòng)電源且溫度下降時(shí),適配器復(fù)位。
???過功率保護(hù)(OPP):對某些電源而言,重要的是在最壞條件下——如負(fù)載消耗的電流過大,最大輸出電流保持在受控狀態(tài),而不會(huì)實(shí)際出現(xiàn)短路。

二、NCP1250/1 關(guān)鍵特性及功能解析

NCP1250/1 是采用極小的 6 引腳 TSOP 封裝的固定頻率 PWM 控制器。除了尺寸極小,還提供即便是其它更高端控制器可能都不具備的眾多優(yōu)勢。在最簡單的應(yīng)用(5 個(gè)功能引腳)中,NCP1250/1  非常合適于設(shè)計(jì)緊湊、保護(hù)功能減至最少的離線電源。由于還有第 6 個(gè)多功能引腳可用(見圖 1),還能用于更高水準(zhǔn)應(yīng)用,驅(qū)動(dòng)筆記本或上網(wǎng)本的 AC-DC 適配器。而諸如非耗散性過功率保護(hù)等獨(dú)特功能,使NCP1250/1 成為高性能、高密度應(yīng)用的極佳選擇。

圖 1:NCP1250 典型應(yīng)用示例。

NCP1250/1 采用峰值電流模式控制工作,在轉(zhuǎn)換器提供額定功率時(shí)以固定頻率(65 kHz 或 100 7kHz)開關(guān)。NCP1250/1 具有頻率反走功能,當(dāng)功率下降至額定值的約 20%時(shí),頻率通常就呈線性下降至 26 kHz,這時(shí)負(fù)載變得更輕。當(dāng)頻率下降完成時(shí),器件就進(jìn)入跳周期模式。這個(gè)功能使電源適配器在完整負(fù)載范圍下都能提供高能效,滿足注重能效性能特別是輸出負(fù)載較低時(shí)能效性能的設(shè)計(jì)人員的需求。值得一提的是,NCP1250/1 即使在頻率反走模式下工作時(shí),仍然保持低頻率抖動(dòng),從而幫助自然地弱化電磁干擾(EMI)信號(hào),即使是在轉(zhuǎn)換器并未提供滿額輸出功率時(shí)。

NCP1250/1 提供幾乎所有必要的保護(hù)功能,極佳地滿足上述 AC-DC 適配器要求。NCP1250 與NCP1251 的唯一區(qū)別是 NCP1251 在 Vcc 引腳上提供集成 OVP 功能,而 NCP1250 并不在 Vcc引腳上提供 OVP 功能。下面我們將具體討論 NCP1250/1 的各項(xiàng)保護(hù)功能及其應(yīng)用。
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1)  短路保護(hù)

NCP1250/1 通過監(jiān)測引腳 4 上的電流感測信號(hào)來確保提供短路保護(hù)。如果監(jiān)測到的最大峰值電流超過最大內(nèi)部電流設(shè)定點(diǎn)(0.8 V/Rsense)時(shí),內(nèi)置的 100 ms 定時(shí)器就啟動(dòng)。如果電流感測信號(hào)下降到最大內(nèi)部電流設(shè)定點(diǎn)以下,定時(shí)器就復(fù)位。如果定時(shí)器的 100 ms 計(jì)時(shí)周期完成,表示故障已存在超過 100 ms,所有驅(qū)動(dòng)脈沖立即停止,控制器的電流消耗降至約 1 mA。值得一提的是,NCP1250 和 NCP1251 均包含 A 版本和 B 版本,其中 A 為自動(dòng)恢復(fù)版本,即 100 ms 后自動(dòng)恢復(fù),而 B 為完全閂鎖版本。

2)  過功率保護(hù)

在應(yīng)用過功率保護(hù)方面,傳統(tǒng)技術(shù)屬于耗散型 OPP,因?yàn)樵诖龣C(jī)時(shí) OPP 電路仍然工作,使適配器的輕載及待機(jī)能效性能受到影響。NCP1250/1 使用獨(dú)特的非耗散型 OPP 方案,僅要求使用 2 顆電阻,對輕載能效性能沒有影響。

圖 2:NCP1250/1 應(yīng)用非耗散型 OPP,對輕載性能沒有影響。

3)  過壓保護(hù)


如圖 1 所示,電路中的光耦合器斷路或 TL431 分壓器網(wǎng)絡(luò)遭受嚴(yán)重漂移影響(或其某個(gè)電阻丟失或出現(xiàn)錯(cuò)誤值)時(shí),輸出電壓就可能超出規(guī)定的限制值,這就是過壓條件。大多數(shù)情況下,過壓條件可能對下行負(fù)載有害,適配器這時(shí)必須完全關(guān)斷。NCP1250/1 在 OPP 引腳上也集成了 3 V 參考比較器,這比較器可用于多種功能,如 OVP。如果這 OPP 引腳電壓連續(xù)四次超過 3 V,就使控制器 IC 閂鎖保護(hù)。

此外,如上所述,NCP1251 不同于 NCP1250 的是在Vcc 引腳上還提供集成 OVP 功能,一旦 Vcc 超過 25.5V 就閂鎖,使控制器受到保護(hù)。

4)  過溫保護(hù)

在眾多設(shè)計(jì)中,必須保護(hù)適配器免受熱失控(如適配器殼體內(nèi)溫度超過特定值)影響。我們可以通過跟齊納二極管(D10)串聯(lián)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻(R14)來應(yīng)用簡單的 OTP(如圖 3 所示)。當(dāng)溫度升高時(shí),NTC電阻開始下降,并升高引腳 3 的電壓。當(dāng)引腳 3 的電壓電平達(dá)到 3  V 時(shí),器件就簡單地閂鎖,并要求復(fù)位,然后重啟。

圖 3:利用 OPP 網(wǎng)絡(luò)簡單地應(yīng)用 OTP。
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三、采用NCP1250設(shè)計(jì)65W適配器示例

安森美半導(dǎo)體基于 NCP1250 控制器設(shè)計(jì)了 19 V/65 W 演示電路板。此設(shè)計(jì)中額定輸出電流為3.2 A,并提供過功率保護(hù)(3.8 A@100 Vac,4.1 A@265 Vac)、過溫保護(hù)及 Vcc 引腳上過壓保護(hù),參見圖 4 (a)及(b)。

圖 4(a):基于 NCP1250 的 19 V/65 W 適配器電路圖
圖 4(b):基于 NCP1250 的 65 W 電源適配器演示電路板

有關(guān)此 65 W 演示電路板的具體設(shè)計(jì),包括元件選擇及相關(guān)計(jì)算,參見參考資料 2。除了此65 W 演示板,安森美半導(dǎo)體還提供 12 V/3.3 A 輸出的 40 W 演示板,同樣提供過功率保護(hù)、過溫保護(hù)及 VCC引腳上過壓保護(hù)功能。

四、能效測試結(jié)果
 
65W演示電路板(含1.2m長線纜)在25%、50%、75%及100%等常見負(fù)載條件下均呈現(xiàn)出較高的能效(見表1),如在230Vrms條件下的平均能效高達(dá)88.67%。此外,這演示電路板在空載時(shí)的能效性能也極佳,僅消耗 40 mW 的功率。而由于頻率反走技術(shù)及跳周期模式的使用,輕載能效也極佳,如在230 Vrms條件下,輸出 0.5W、0.6W及0.7W功率時(shí)的輸入功率分別僅為0.74W、0.86W和0.98 W。

表 1:基于 NCP1250 的 65 W 演電源適配器演示板能效測試結(jié)果。

40 W 演示電路板在115 Vrms和230 Vrms條件下測得的平均能效分別為87.8%和87.2%(針對的是負(fù)載施加在電路板連接器的情況),100 Vrms和230 Vrms條件空載輸入功率分別為33 mW和75 mW,同樣提供高能效和低能耗。

五、小結(jié):

NCP1250/1 集成了應(yīng)用高密度電源適配器所需的關(guān)鍵特性,如非耗散型過功率保護(hù)、能夠應(yīng)用過溫保護(hù)、小封裝(TSOP6)及 Vcc 引腳過壓保護(hù)(OVP)(僅 NCP1251)等。NCP1250/1 在提供高工作能效的同時(shí),通過采用頻率反走技術(shù)及跳周期模式,在輕載或待機(jī)模式下的能耗極低,從而能夠在完整負(fù)載范圍內(nèi)提供高能效。此外,NCP1250/1 采用頻率抖動(dòng)技術(shù),即使是在頻率反走期間,也將 EMI 降至最低,從而提供極佳的 EMI 性能?;?NCP1250 的 65 W 適配器演示電路板測試證實(shí)明了這器件在完整負(fù)載范圍下的高能效性能??蛻衾?NCP1250/1 控制器可以開發(fā)出用于筆記本電腦或上網(wǎng)本的高性能適配器,也可用于開發(fā)高能效的平板電視輔助電源或低功率的機(jī)頂盒、DVD 開放式電源。
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